某超高層剪力墻住宅中連廊對結構影響的抗震分析

曲憲偉

（廣州市住宅建筑設計院有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

隨著高層及超高層住宅的普及，住宅戶型也在不斷更新完善，為了保證每一戶都擁有良好的居住體驗，連廊戶型被大量使用，對于結構而言，連廊結構起到連接兩側結構共同受力的作用，但是連廊處的結構設計較為狹窄，屬于結構較為薄弱的部位，比較容易發生破壞而影響結構安全，為防止連廊失效后出現較大的結構變形及構件損傷[1]，利用彈塑性計算軟件SAUSAGE，以某超高層剪力墻住宅為例建立有限元模型，對無連廊模型進行罕遇地震下的抗震分析，通過與原模型對比分析，提出相應的加強措施保證結構安全。

1 結構模型與動力特性

某超高層剪力墻住宅位于山西省太原市。地下兩層地上46層，主體總高度143.900m（含室內外高差0.300m），采用全現澆混凝土剪力墻結構，安全等級為二級，抗震設防烈度為Ⅷ度（0.2g），場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第二組。標準層平面如圖1所示。

圖1 標準層平面

結構平面布置在結構設計中起著重要的作用。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）[2]，高層建筑布置宜具有簡單、規則的結構平面，剛度和承載力分布均勻。嚴重不規則的布置不應采用。地震區內高層建筑的平面布置應滿足以下要求：平面布置應簡單、規則、對稱，并應減小偏心。

該超高層結構體系采用全現澆鋼筋混凝土剪力墻結構。根據建筑平面布置及建筑功能，并結合結構抗側剛度的需要，在電梯井、樓梯間、外圍護墻以及內隔墻等不影響建筑功能的位置設置剪力墻，剪力墻墻厚自下向上從400mm逐漸減薄至200mm。外圍連梁在不影響建筑立面情況下盡可能加高，以提高整體結構的側向剛度。在結構側向位移滿足規范要求的前提下，盡量控制剪力墻身厚度及長度和樓板厚度，以減輕結構自重，從而減小地震下的反應。同時，剪力墻也承擔豎向荷載，可以通過增加墻厚以及混凝土的強度滿足豎向承重要求。剪力墻之間通過樓面框架梁及樓板相連。樓面梁向剪力墻傳遞豎向荷載，同時還可以協同形成多肢剪力墻共同抵抗側向荷載。

結構抗側向力體系的豎向布置對結構性能有很大的影響。良好的豎向構件布置不僅能滿足建筑使用功能的要求，更重要的是還能滿足結構的安全性和強度傳遞的要求。《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）（以下簡稱《高規》）第3.5.1～3.5.9條對高層結構的豎向布置有相關的規定。控制結構豎向布置合理性的參數有承重能力比、剛度比、剪切比等。本工程通過調整結構構件的布置，控制各項參數在合理范圍之內。在結構的布置中，扭轉效應是不可避免的，因為質心不能與剛性中心完全重合。除了考慮平面的形狀外，還需要通過布置抗側向力的構件來提高結構的扭轉強度。本工程通過增加外圍墻長墻厚以及連梁高度提高結構的抗扭性能，本工程的主要抗側力體系由鋼筋混凝土剪力墻以及框架梁共同構成。

1.1 有限元模型

該超高剪力墻住宅的三維有限元模型如圖2所示。其中梁、柱的非線性模型采用纖維梁進行模擬，剪力墻和樓板采用彈塑性的分層殼單元模擬。該項目采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法[3]，不采用任何理論的簡化，并且直接模擬地震力作用下結構的非線性響應。同時考慮幾何非線性和材料非線性，可以精確模擬全過程結構損傷變化直到最后的倒塌。

圖2 無連廊和有連廊模型

1.2 結構動力特性

根據上述形成的有限元模型（有連廊），采用WYD-RITZ法[4]進行求解，其前十階陣型如表1所示，前三階振型如圖3所示。

表1 結構周期分布

圖3 塔樓結構前三階振型

在結構的動力分析過程中，阻尼值對結構的動態響應振幅有很大的影響。彈性分析中，通常采用模態阻尼ξ來表示，可以滿足分析要求。而在彈塑性分析中，因為采用直接積分法方程求解，剛度和振型均為變值，不能直接換算出陣型阻尼。一般采用瑞利阻尼來模擬模態阻尼。瑞利阻尼分為質量阻尼α與剛度阻尼β兩部分且與模態阻尼的轉換關系如式（1）、式（2）所示。

式中：[C]——結構阻尼矩陣；[M]——結構質量矩陣；[K]——剛度矩陣；ω1——結構的第1周期；ω2——結構的第2周期。

2 罕遇地震下有無連廊動力彈塑性分析比較

2.1 地震波選取

選取一組滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）5.1.2[5]的要求地震波如圖4所示，地震波包含X、Y二個方向，共2條不同波形的地震波進行彈塑性時程分析，各地震波輸入的地震加速度最大值均為400cm/s2，主次方向地震波峰值加速度比為1∶0.85[6]。地震波滿足規范分析時考慮二向地震波輸入。

圖4 地震波時程曲線

2.2 有連廊與無連廊模型分析比較

本工程的結構平臺與連廊處連接存在薄弱連接，可能在大震下由于局部連廊破壞而形成整體倒塌，針對取消連廊進行分析，并與有連廊模型墻體受壓損傷及墻體鋼筋應變比較（X向地震作用下）如圖5所示。

圖5 墻體受壓損傷及墻體鋼筋應變/屈服應變

混凝土的壓縮損傷因子、拉應力損傷因子和鋼筋的塑性變形程度是評價構件損傷的主要標準。梁和柱構件的性能水平為單元性能水平的最大值，墻板構件的性能水平為單元的平均加權性能水平。

結合本工程大震需滿足性能水準4的要求。SAUSAGE與《高規》中構件的損壞程度對應關系如表2所示。

表2 SAUSAGE與《高規》中構件的損壞程度對應關系

3 結語

（1）大震作用下無連廊模型在北側山墻損傷加大，但均未超過中度損壞，滿足剪力墻（關鍵構件）不超過輕度損壞，普通豎向構件不超過中度損壞的性能目標。

（2）無連廊剪力墻豎向鋼筋應變/屈服應變最大比值約1，有連廊剪力墻鋼筋鋼筋應變/屈服應變最大比值約為0.62，無連廊剪力墻豎向鋼筋應變最大值接近于屈服。施工階段應在底部加強部位采取增加豎向分布鋼筋配筋率的措施進行加強。